Özet
Genel atık düzenlemelerinin ötesinde, kullanım ömrü sona ermiş
PV panel atıklarını yönetmek için özel olarak çeşitli yaklaşımlar geliştirilmiştir. Bu sayı dizimizde, yaşam dönemini tamamlamış fotovoltaik panellerden değer yaratımı özetlenmektedir. Değer zincirinin her aşamasında, özellikle yaşam döngüsünün son aşamasında, PV panel atıklarından fayda sağlayabileceğimiz değer yaratma fırsatları bulunmaktadır.
Bu yazıda, malzeme kullanımının azaltılmasıyla ilgili fırsatları, tamir ve yeniden kullanım seçeneklerini ve son olarak da PV panel atıklarının geri dönüşümü ve işlenmesi konusundaki düşünceleri ele almaktadır.
Fotovoltaik Panelleri Azaltma, Yeniden Kullanma ve Geri Dönüşüm İmkanları
Döngüsel ekonominin temel ilkeleri (beşikten beşiğe fırsatlar) ve 3R (azalt, yeniden kullan, geri dönüştür) atık yönetimi prensipleri, güneş panellerine de uygulanabilir (bkz. Atık Yönetimi Seçenekleri bölümü). Bu seçenekler arasında öncelikli olan, güneş panellerinde
malzeme kullanımının azaltılması ve buna bağlı olarak verimliliğin artırılmasıdır.
Güçlü bir pazar büyümesi, hammadde kıtlığı ve güneş paneli fiyatlarında düşüş baskısı, daha verimli seri üretim, azaltılmış malzeme kullanımı, malzeme değiştirme ve daha yüksek
verimli yeni teknolojilerin teşvik edilmesine yol açmaktadır. Bu, üretim başına malzeme kullanımının azaltılması çalışmalarına katkıda bulunmaktadır.
Yeniden kullanma seçeneği, azaltma seçeneğinden sonra gelir. Bu, farklı onarım ve yeniden kullanma yöntemlerini içerir. Geri dönüşüm, atılma seçeneği olarak en az tercih edilendir ve yalnızca ilk iki seçenek tükenmişse uygulanır. Bu, güneş panellerinin işlenmesi ve tedavisi için kullanılır ve yeni güneş paneli üretimi veya diğer ürünler için hammadde elde edilmesine yardımcı olabilir (bkz. Şekil 1).
Ar-Ge Aracılığıyla PV Panel Malzeme Tasarrufu (Azaltma)
Aşağıdaki analiz, farklı PV teknolojilerinde kullanılan malzeme bileşenleri için potansiyel “azaltma” seçeneklerini özetleyecektir.
Kaynak ve Malzeme Verimliliği Tanımları
Kaynak ve malzeme verimliliği, bir ürünün veya sürecin başarıyla tamamlanması için kullanılan kaynakların ve malzemelerin etkin bir şekilde kullanılması anlamına gelir. Bu, enerji, su, hammadde ve diğer kaynakların optimum düzeyde kullanılması ve israfın en
aza indirgenmesini içerir.
Ayrıca, atıkların azaltılması, geri dönüşümün teşvik edilmesi ve yeniden kullanılabilir malzemelerin kullanılması gibi sürdürülebilir uygulamaları da içerir. Kaynak veya malzeme verimliliği, sınırlı kaynakları sürdürülebilir bir şekilde kullanarak çevreye olan etkileri minimize etmeyi amaçlar. Bu yaklaşım, daha az kaynak veya malzeme girdisiyle daha fazla değer yaratmayı mümkün kılar.
PV panellerde kullanılan malzeme karışımı geçmişte önemli ölçüde değişmemiştir, ancak kaynak ve malzeme verimliliği arttıkça malzeme tasarrufları sağlanmıştır. Örneğin, kurşun, kadmiyum ve selenyum gibi tehlikeli malzemelerin miktarı azaltılmış ve ikame çalışmaları
yapılmıştır. Diğer PV panel teknolojilerinde ise maliyetleri düşürmek için malzeme miktarı en aza indirilmeye çalışılmaktadır.
PV pazarının büyümesiyle birlikte nadir ve değerli malzemelerin tüketimi artacak olsa
da, şu anda mevcudiyet ve fiyatlarla ilgili büyük bir endişe bulunmamaktadır. Bununla birlikte, uzun vadede kritik malzemelerin sınırlamalara neden olabileceği anlaşılmaktadır.
Ayrıca, artan fiyatlar geri dönüşüm faaliyetlerini teşvik edecek ve daha verimli madencilik
süreçleri için yatırımları destekleyecektir. Özetle, PV panellerin malzeme kullanımı ve sürdürülebilirliği konusunda araştırmalar devam etmektedir.
PV Ar-Ge, mevcut PV panellerinde yaygın olarak kullanılan farklı bileşenler için malzeme kullanımının azaltılması veya değiştirilmesi konusunda öncelikli konular belirlemiştir 16. Bu kapsamda aşağıdaki örnekler verilebilir:
• c-Si paneller: cam, polimer, silikon, alüminyum, gümüş ve kurşun gibi;
• CIGS paneller: cam, polimer, alüminyum, kadmiyum, galyum, indiyum, selenyum gibi;
• CdTe paneller: cam, polimer, kadmiyum tellurid, nikel gibi.
Ayrıca, yeni malzemeler ve malzeme değişiklikleri üzerine önemli ölçüde Ar-Ge çalışmaları yoğunlaştırılmıştır. İndiyum Florlu kalay oksit gibi daha yaygın ve dolayısıyla daha ucuz bileşiklerin kullanıldığı yeni şeffaf iletken oksit katmanları, indiyum kalay oksitinin ön elektrot olarak kullanımını azaltabilir. Bu, ince film güneş hücrelerinde kullanılan indiyum kalay oksitte indiyum kullanımını azaltır.
Cam
Cam bileşiminin, kalınlığının, yansımayı önleyici kaplamanın ve yüzey yapısının daha da optimize edilmesi, ön cam panellerin iletimini 2024 yılına kadar %2 daha artırabilir. Tek cam lamine ile birlikte iki milimetre veya daha ince cam kullanımı, ek mekanik dengeleme çabalarını gerektirecektir ve bu, ince film güneş panellerinde yıllardır kullanılan çift camlı panellerle incelenebilecek bir incapsülasyon tabakası ile başarılabilecektir. Bu, bir
arka tabaka ihtiyacını ortadan kaldırarak önemli malzeme tasarruflarına yol açabilir.
Polimerler
Bugün, pazarın hakim olduğu dördüncül malzemeler çözünmez veya ayrışmadan dönüştürülemediği için, kapsüllendiriciler ve arka tabaka folyoları geri dönüştürülmüyor.
Araştırmalar, özellikle polietilen tereftalat folyo kullanan arka tabakalar için polimer miktarını azaltma veya değiştirme üzerinde çalışmaktadır. Bu folyolar, polimerizasyon katalizörü olarak kullanılan antimonun birkaç yüz parçaya kadar içerir.
Örneğin, Hollanda Enerji Araştırma Merkezi ve PV CYCLE (CU-PV) tarafından yürütülen araştırma projesi, mevcut uygulamalara alternatifler geliştirmeyi ve göstermeyi amaçlamaktadır. Bir örnek, ayırmaları daha kolay olan termoplastiklerin kapsüllendirici olarak kullanılmasıdır. Bir diğeri ise kapsüllendirici kullanımının tamamen ortadan kaldırılmasıdır.
Silikon
Thinner hücreler, c-Si hücrelerinde kullanılan silikon miktarını azaltabilir. Örneğin, arka temaslı bir hücre tasarımına geçilerek silikonun kullanımı yarıya indirilebilir ve enerji tüketimi yaklaşık %30 azaltılabilir (Raithel, 2014). Gümüş. Yaklaşık %95’i ön tarafta baskılı
gümüş temas hatları ile üretilen c-Si güneş hücrelerinin yaklaşık %6-%8’ini kaplar.
Uluslararası Teknoloji Haritası Araştırması (ITRPV) çalışmasına göre, 2018’e kadar hücrelerdeki gümüş miktarında önemli bir azalma beklenmektedir (Raithel, 2014) çünkü; mürekkep püskürtme ve baskı teknolojilerindeki son ilerlemeler sayesinde diğer metallerin kullanımına olanak sağlanmaktadır.
Arka temaslı veya bifacial hücrelerin kullanımı, hücre verimini artırarak watt başına gümüş tüketimini daha da azaltmaya yardımcı olur. Örneğin, CU-PV tarafından yürütülen araştırma projesinde, daha ince yarı iletkenler için uygun olan yeni metalizasyon yöntemleri
geliştirilecektir.
Bu yöntemler, mürekkep püskürtme ile kaplanan tohum tabakaları üzerine sonradan nikel ve bakır ile kaplanarak en az %99 oranında gümüş tasarrufu sağlar. PV panellerinde
kullanılan gümüş bileşenleri yukarıda daha detaylı olarak açıklanmıştır.
Değer açısından bakıldığında, gümüş, bir birim kütle başına c-Si panelinin en pahalı bileşenidir. Onu bakır, silikon, alüminyum, cam ve polimer izler (bkz. Şekil 2). PV
endüstrisi, küresel gümüş üretiminin %3.5-15’ini tüketmektedir. Bu aralıktaki daha yüksek rakamlar, üretim kayıplarını içerirken daha düşük rakamlar ise güneş hücrelerinin gümüş içeriğinin analizinden elde edilmektedir.
Ortalama olarak, tipik bir c-Si paneli yaklaşık olarak 6-10 gram gümüş içerir. Şekil 3, son dönemdeki gümüş tüketimini ve gelecekteki projeksiyonları göstermektedir. Yeni baskı teknikleri ve pastalar, 2009-2012 yılları arasında gümüş tasarrufunu %30’dan fazla sağlamıştır.
Küresel PV endüstrisinde beklenen büyüme oranları nedeniyle, Silver Institute, bir birim güç başına kullanımın daha da azalacağı orta ve uzun vadede gümüş tüketiminin artacağını tahmin etmektedir. Gümüş tüketimi bir watt başına 2013-2017 yılları arasında üçte ikiye düşerken, toplam gümüş tüketiminin 2017’de 2013 ile aynı olacağı öngörülmektedir.
Gümüş kontaklarının yaklaşık olarak on mikron kalınlığında olduğunu ve hücrenin yüz ek olarak, gümüşün güneş panellerindeki rolü, güneş enerjisi hücrelerinde elektrik akışını sağlamaktır. Gümüş kontaklar, güneş hücrelerinin yüzeyine uygulanan ince bir tabakadır ve güneş ışığının elektrik enerjisine dönüştürülmesini sağlar. Bu nedenle gümüş, güneş panellerinin verimliliği ve performansı için önemli bir bileşendir.
Ancak, gümüşün maliyeti ve sınırlı kaynakları nedeniyle, PV endüstrisi, gümüş kullanımını azaltma ve alternatif malzemeler arayışı içindedir. Yeni baskı teknikleri ve gelişmiş malzeme kullanımları, gümüş tüketimini azaltmaya yardımcı olmuştur. Ayrıca, teknolojik gelişmeler
ve güneş enerjisi pazarındaki büyüme, birim güç başına gümüş tüketiminin azalacağı beklentisini desteklemektedir.
Hücreler, arka tabakalar, kaplamalar ve sızdırmazlık malzemeleri için çeşitli yeni teknolojiler uygulanmıştır ve bunun sonucunda 50.000’den fazla panel türü ortaya çıkmıştır. Atık işleme ve geri dönüşüm amaçlarıyla tüm malzemeleri izlemek zorlu bir süreçtir ve bu zorluk devam edecektir.
Panel ve malzeme veritabanlarıyla küresel bilgi akış sistemleri oluşturmak, malzeme geri kazanımını maksimize eden uzun vadeli atık yönetim sistemlerinin hedefine ulaşmayı kolaylaştırabilir. Sonraki bölüm, PV paneller için farklı atık yönetimi seçeneklerini analiz etmektedir. Çevresel olarak tercih edilen yaklaşım, potansiyel olarak son kullanım ömrüne ulaşan bir paneli onarmak ve yeniden kullanıma uygun hale getirmektir.
PV panellerinin onarımı (yeniden kullanım) Çoğu PV sistemleri son altı yılda kuruldu (2008’de 15 GW’dan 2015’te 222 GW’a kadar), bu da bugün beklenen ortalama ömür (30 yıl) yüzde 20 erken kayba uğradıkları anlamına gelir.
PV panelinin ömrünün erken aşamalarında kusurlar tespit edilirse, müşteriler hala sözleşme tarafının var olması durumunda onarım veya değiştirme için garanti talep edebilirler. Sigorta şirketleri, sözleşme anlaşmaları kapsamında onarım/değiştirme maliyetlerinin bir kısmını veya tamamını telafi etmek için devreye girebilir. Bu durumlarda, panellerin sahipliği
genellikle sigorta şirketine geçer.
Çoğu kusurlu panel genellikle, inceleme ve onarım için sözleşme tarafına, üretici servis ortağına veya üreticiye geri gönderilir. İkinci el satışta biraz değer elde etmek için bir panelin geri dönüşüm yoluyla satışa sunulabilmesi için kalite testleri yapılmalıdır, bu testler genellikle elektriksel güvenlik ve güç çıkışını kontrol etmektedir.
Flaş test karakterizasyonu ve ıslak sızıntı testi, bunlardan bir örnektir. Onarımlar gerekli ve mümkün olduğunda, genellikle yeni bir çerçeve, yeni bir bağlantı noktası kutusu, diyot değişimi, yeni fişler ve soketler gibi uygulamaları içerir. Hatta güneş pilleri de değiştirilebilir ve paneller laminatlanabilir.
Bu, bazı durumlarda özel projelere satılan ‘B-spec’ ve ‘C-spec bakım ve onarım hizmeti sunan şirketler tarafından yapılır. Bu hizmetler genellikle panelin performansını artırmak ve ömrünü uzatmak için yapılan düzenli bakım işlemlerini içerir.
PV panellerinin onarımı için bazı temel adımlar şunlardır:
1. Kusurlu panelin tespiti: Panelin performansını etkileyen herhangi bir kusur tespit edilmelidir. Bu, panelin elektriksel özelliklerinin test edilmesi ve görsel muayene ile yapılabilir.
2. Onarım veya değiştirme talebi: Kusurlu panelin sahibi, garanti şartlarına göre onarım veya değiştirme talebinde bulunabilir. Sigorta şirketleri, maliyeti karşılamak için devreye girebilir.
3. Panelin geri gönderilmesi: Kusurlu panel, genellikle üretici servis ortağına veya üreticiye geri gönderilir. Bu adım, panelin detaylı bir inceleme ve onarım sürecine girmesini sağlar.
4. Kalite testleri: Panel, geri döndükten sonra kalite testlerine tabi tutulur. Bu testler, panelin elektriksel güvenliğini ve güç çıkışını kontrol etmek için yapılır. Flaş test karakterizasyonu ve ıslak sızıntı testi bu testlerden sadece birkaçıdır.
5. Onarım işlemleri: Paneldeki kusurlar tespit edildikten sonra gerekli onarım işlemleri yapılır. Bu, yeni bir çerçeve, yeni bir bağlantı noktası kutusu, diyot değişimi, fişler ve soketlerin değiştirilmesi gibi uygulamaları içerebilir. Hatta güneş pilleri de değiştirilebilir
ve paneller laminat olarak yeniden yapılabilir.
6. Tekrar test: Onarım işlemleri tamamlandıktan sonra panel tekrar kalite testlerinden geçirilir. Bu, panelin düzgün çalıştığını ve istenen performansı sağladığını doğrulamak için yapılır.
7. Montaj: Panel, onarım işlemleri tamamlandıktan ve kalite testlerinden geçtikten sonra tekrar monte edilir. Bu, panelin güvenli ve sağlam bir şekilde yerine yerleştirilmesini sağlar.
8. Bakım ve izleme: Onarımdan sonra panelin düzenli bakım ve izleme süreçlerine devam edilmesi önemlidir.
Bu, panelin performansını optimize etmek ve uzun ömürlü olmasını sağlamak için yapılır.
Bir sonraki yazımızda PV panellerinin devredilmesi ve işlenmesi (geri dönüşüm) başlığına devam edeceğiz sağlıklı günler dilerim.
Dr. Öğretim Üyesi Cemil Koyunoğlu
Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü
Mühendislik Fakültesi
Yalova Üniversitesi
